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虽然用量和可控要求发展igbt,我们也做了很多努力,但当中还是有些问题需要主要考虑的:
1.igbt技能与工艺
我国的功率半导体技能包括芯片设计、制造和模块封装技能,目前都还处于起步阶段。功率半导体芯片技能研究一般采取“设计 代加工”模式,即由设计公司提出芯片设计方案,由国度内的一些集成电路公司代加工生产。
由于这些集成电路公司大多没有单独的功率器件生产线,只能利用现有的集成电路生产工艺完成芯片加工,所以设计生产的基本是一些低压芯片。与普通ic芯片相比,大功率器件有许多技能难题,如芯片的减薄工艺,背面工艺等。解决这些难题需要成熟的工艺技能,需要advanced的工艺设备,这些都是我国功率半导体产业发展过程中急需解决的问题。
从80年代初到现在igbt芯片体内结构设计有非穿通型(npt)、穿通型(pt)和弱穿通型(lpt)等类型,在改变igbt的开关性能和通态压降等性能上做了大量工作。但是把上述设计在工艺上实现却有相当大的难度。额外是薄片工艺和背面工艺。工艺上正面的绝缘钝化,背面的减薄,国度内做的均不是较好。
薄片工艺,特定耐压指标的igbt器件,芯片厚度也是特定的,需要减薄到200-100um,以至到80um,现在国度内可以将晶圆减薄到175um,再低就没有能力了。比如在100~200um的量级,当硅片磨薄到如此地步后,后续的加工处理就比较困难了,额外是对于8寸以上的大硅片,较易破碎,难度较大。
背面工艺,包括了背面离子注入,退火启动,背面金属化等工艺步骤,由于正面金属的熔点的限制,这些背面工艺须在不过450°c的温度下进行,退火这一步难度较大。背面注入以及退火,此工艺并不像想象的那么简单。国外某些公司可代加工,但是他们一旦与客户签订协议,就不会给中国客户代提供加工服务。
在模块封装技能方面,国度内基本掌握了传统的焊接式封装技能,其中中低压模块封装厂家较多,高电压模块封装主要集中在南车与北车两家公司。与国外公司相比,技能上的差距依然存在。国外公司基于传统封装相继研发出多种advanced封装技能,能够大升高模块的功率密度、散热性能与长期稳定性,并初步实现了商业应用。
高的端工艺开发人员比较缺乏,现有研发人员的设计水平有待升高。目前国度内没有系统掌握igbt制造工艺的人才。从国外advanced功率器件公司引进是捷径。但单单引进一个人很难掌握igbt制造的全流程,而要引进一个团队难度太大。国外igbt制造中许多技能是有保护。目前如果要从国外购买igbt设计和制造技能,还牵涉到好多方面的东西。
2.igbt工艺生产设备
国度内igbt工艺设备购买、配套比较困难。每道制作工艺都有自用设备配套。其中有的国度内没有,或技能水平达不到。如:德国的真空焊接机,能把芯片焊接空洞率control在低于1%,而国产设备空洞率高可达20%到50%。外国设备未必会卖给中国,例如薄片加工设备。
又如:日本产的表面喷砂设备,日本当局不准出口。好的入口设备价格比较贵,便宜设备又不适用。例如:自动化测试设备是不可少的,但价贵。如用手工测试代替,就会增加人为因素,测试数据误差大。igbt生产过程对环境要求比较苛刻。要求高的标准的空气净化系统,世界至好的高纯水处理系统。
要成功设计、制造igbt须有集产品设计、芯片制造、封装测试、稳定性试验、系统应用等成套技能的研究、开发及产品制造于一体的自动化、专注化、规模化程度当先的大功率igbt产业化基地。investment往往需高可达数十亿元人民币。
而为了推动国度内功率半导体的发展,针对我国当前功率半导体产业发展状况以及2016-2020年电力电子产业发展,中国宽禁带功率半导体及应用industry alliance、中国igbt技能革新与industry alliance、中国电器工业协会电力电子分会、北京电力电子学会共同发布《电力电子器件产业发展蓝皮书》(以下简称《蓝皮书》)。
《蓝皮书》指出,电力电子器件产业的焦点是电力电子芯片和封装的生产,但也离不开半导体和电子材料、关键零部件、制造设备、检测设备等产业的支撑,其发展既需要上游基础的材料产业的支持,又需要下游装置产业的拉动。
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